Радионавигационные системы. Лабораторный практикум

Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

А.А. САВИН, А.А. МЕЩЕРЯКОВ, Б.П. ДУДКО

РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Томск, 2012

3

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………………………………………...4

Лабораторная работа № 1. Системы посадки самолетов……………………………………...5 1. Принципы построения систем посадки метрового диапазона (5). 2. Варианты радиомаячных систем посадки (6). 3. Имитаторы радиомаяков (10). 4. Варианты бортовой аппаратуры посадки (13). 5. Влияние радиопомех на работу бортовых радиоприемников (18). 6. Контрольные вопросы (18). 7. Описание лабораторной установки (19). 8. Проведение лабораторной работы (20). 9. Содержание отчета по лабораторной работе (23). 10. Рекомендуемая литература (24).

Лабораторная работа № 2. Самолетные автоматические радиокомпасы…………………..25 1. Местоопределение с использованием радиокомпасов (25). 2. Режимы работы радиокомпасов (27). 3. Особенности различных типов радиокомпасов (33). 4. Контрольные вопросы (45). 5. Описание лабораторной установки (46). 6. Выполнение лабораторной работы (47). 7. Содержание отчета по работе (48). 8. Рекомендуемая литература (49).

Лабораторная работа № 3. Радиотехническая система ближней навигации РСБН-2……...50 1. Назначение системы (50). 2. Комплект оборудования (50). 3. Основные тактикотехнические данные (51). 4. Принцип действия системы (52). 5. Работа бортовой аппаратуры при измерении дальности (53). 6. Работа системы при измерении азимута на борту самолета (57). 7. Работа системы при инструментальной посадке (59). 8. Работа системы при самолетовождении по произвольному азимуту (61). 9. Работа системы при самолетовождении по произвольной орбите (63). 10. Работа системы при самолетовождении по произвольному прямолинейному маршруту (64). 11. Работа системы при указании момента пролета цели (68). 12. Контрольные вопросы (69). 13. Описание лабораторной установки (69). 14. Выполнение лабораторной работы и содержание отчета (70). 15. Рекомендуемая литература (70).

Лабораторная работа № 4. Самолетный метеонавигационный радиолокатор «Гроза»…...71 1. Назначение локатора (71). 2. Основные технические данные (71). 3. Режимы работы (72). 4. Комплектность аппаратуры и структурная схема (76). 5. Особенности построения отдельных блоков и функциональных узлов (79). 6. Контрольные вопросы (83). 7. Описание лабораторной установки (83). 8. Порядок выполнения лабораторной работы (84). 9. Содержание отчета по работе (86). 10. Рекомендуемая литература (86).

Лабораторная работа № 5. Доплеровские измерители скорости и угла сноса……………..87 1. Сведения из теории (87). 2. Доплеровский измеритель ДИСС-1 (99). 3. Доплеровский измеритель ДИСС-3 (109). 4. Доплеровский измеритель ДИСС-013 (110). 5. Контрольные вопросы (111). 6. Описание лабораторной установки (112). 7. Порядок выполнения работы (114). 8. Содержание отчета (116). 9. Рекомендуемая литература (116).

4

Предисловие

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для подготовки и выполнения лабораторных работ при изучении курсов « Радионавигационные системы» и « Радиотехнические системы» студентами радиотехнических специальностей дневной, вечерней и заочной форм обучения.

Пособие содержит пять работ, которые посвящены изучению основных классов радионавигационных систем. Это следующие системы: системы посадки самолетов, системы ближней навигации самолетов (две работы), самолетный метеонавигационный радиолокатор и самолетная автономная доплеровская навигационная система. В сборнике работ отсутствуют материалы по системам дальней и глобальной навигации, которые сейчас представлены перспективными спутниковыми системами. Эти системы очень сложны, и материал по ним занимает очень большой объем; по этой причине пособие по спутниковым навигационным системам вынесены в отдельное издание.

Представленные в пособии работы выполняются на кафедре радиотехнических систем ТУСУРа уже несколько десятилетий, при этом они постоянно модернизируются. В описательной части добавляются сведения по новым образцам систем, лабораторные установки переводятся на доступные новые системы.

По каждой работе пособие содержит учебную (теоретическоописательную) часть, посвященную изложению принципа действия системы, так- тико-техническим характеристикам, рассмотрению структурных или функциональных схем, вариантам технической реализации основных представителей семейств систем различных поколений, описанию особенностей конструкции и эксплуатации. Учебная часть необходима при подготовке к лабораторной работе; завершают ее основные контрольные вопросы, по которым производится допуск студентов к выполнению работы.

Вторая часть материала содержит описание лабораторной установки, на которой в настоящее время выполняется работа, и методические указания по проведению измерений. Последние определяют перечень измерений, используемые приборы, последовательность действий при измерениях и требования к содержанию отчета. По некоторым работам эта часть частично отсутствует; она представлена отдельными приложениями и выдается студентам перед началом работы. Описания измерительных приборов не входят в пособие и также выдаются перед началом работы.

Пособие, особенно его учебная часть, может быть использована для изучения радионавигационных систем без выполнения лабораторных работ.

Лабораторные установки созданы инженерами учебной лаборатории «Радионавигационные системы» Никитиным С.А. и Седуновым М.Г. и студентами дипломниками разных лет под руководством Дудко Б.П.

5

Лабораторная работа № 1. Системы посадки самолетов

Целью лабораторной работы является: изучение принципов построения радиоэлектронных систем посадки самолетов метрового диапазона, изучение особенностей конкретных вариантов систем, измерение основных параметров одного из вариантов бортовых приемоиндикаторов и исследование влияния радиопомех на работу бортовой аппаратуры.

Лабораторная работа выполняется на одном из двух макетов, включающих бортовое оборудование систем посадки СП-50 (СП-48) или навигаци- онно-посадочной системы "Kypc-МП-2".

1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОСАДКИ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Посадка самолета является наиболее ответственным и сложным этапом полета, требующим очень высокой точности определения его положения относительно взлетно-посадочной полосы.

В развитии всепогодных систем управления заходом на посадку и посадкой самолетов в настоящее время существует два пути:

1)полная автоматизация управления с применением трех и четырехкратного резервирования и систем встроенного контроля для повышения надежности;

2)автоматизация управления с активным участием пилота и применением наглядных систем отображения навигационной информации для совершения посадки при ручном управлении.

Внастоящее время во всех странах эксплуатируются системы посадки, реализующие второй путь.

Вобщем случае радиоэлектронные системы посадки предназначены для провода самолета в район посадки, организации воздушного движения в районе аэродрома, а также для обеспечения приземления самолета и организации его движения по летному полю. Для управления самолетом при заходе на посадку используются радиомаячные либо радиолокационные системы посадки, которые должны указывать экипажу посадочный курс, угол планирования для движения по глиссаде и расстояние до точки приземления.

Радиомаячная система посадки, называемая также системой инструментальной посадки, представляет собой комплекс радиомаяков: курсового (КРМ), глиссадного (ГРМ), маркерного (МРМ) и бортового оборудования, обеспечивающего на самолете индикацию отклонений от заданной линии курса и глиссады и сигнализацию пролета маркерных маяков.

Поскольку радиомаячная система посадки не может обеспечить вывод самолета в район посадки, она всегда применяется с радионавигационной си-

6

стемой ближней навигации (типа РСБН) или техническими средствами управления воздушным движением (УВД).

В настоящее время в мировой практике гражданской авиации используются две инструментальные радиомаячные посадочные системы метрового диапазона: отечественная система СП-50 и ее модификации и международная система ILS (Instrument Landing Sistem) принципиально мало отличающиеся друг от друга.

Радиомаячная система посадки имеет сравнительно несложное бортовое приемоиндикаторное устройство и достаточно высокую пропускную способность (около 30 самолетов в час).

На отечественных пассажирских самолетах в настоящее время эксплуатируется бортовая навигационно-посадочная аппаратура "Курс-МП-2" (а также новые ее варианты), которая предназначена для обеспечения полетов по радиомаякам системы ближней навигации (типа VOR) и выполнения инструментальной посадки по системам СП-50 и ILS. Информация с выхода этой аппаратуры подается на указатели курса, глиссады и азимута и на систему автоматического управления полетом самолета.

Радиолокационная система посадки (РЛСП) предназначена для управления полетом самолета в зоне аэродрома, а также для контроля движения самолета по курсу и глиссаде при инструментальной посадке. При отсутствии или отказе системы инструментальной посадки радиолокационная система является основным средством посадки; в этом случае диспетчер по линии связи передает команды пилоту о корректировке полета. В состав РЛСП входят: посадочная РЛС, измеряющая азимут, угол места и дальность до высот 30-40 м; обзорно-диспетчерская PЛC и автоматический УКВ пеленгатор, работающий по бортовому связному передатчику. Пропускная способность системы РЛСП равна 25-30 самолетов в час.

2 ВАРИАНТЫ РАДИОМАЯЧНЫХ СИСТЕМ ПОСАДКИ

2.1 Системы СП-48 и СП-50

Система посадки включает курсовой маяк (КМ), глиссадный маяк (ГМ), дальний маркерный маяк (ДМ) и ближний маркерный маяк (БМ). Расположение радиомаяков относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП) показано на рис. 1. Курсовой радиомаяк создает по курсу посадки излучение, имеющее нулевую глубину амплитудной модуляции несущей частоты сигналом 60 Гц; отклонение от линии курса пропорционально глубине модуляции, а сторона отклонения связана с изменением фазы модулирующего сигнала относительно опорного напряжения. Поэтому маяк излучает два модулированных сигнала через антенны с тремя диаграммами направленности. Сигнал переменной фазы представляет собой несущую частоту, промодулированную по амплитуде сигналом частотой 60 Гц, и сигнал опорной фазы, представляющий собой ту же несущую частоту, но промодулированную по амплитуде поднесущей частотой 10000 Гц, которая, в свою очередь, промодулирована

7

по частоте низкочастотным сигналом (FM = 60 Гц) от общего опорного генератора.

Рисунок 1. Расположение радиомаяков

Введение поднесущей частоты вызвано необходимостью разделения сигналов опорной фазы и переменной фазы на выходе бортового приемного устройства.

Форма диаграмм направленности антенн в горизонтальной плоскости представлена на рис. 2а. Боковые узкие диаграммы направленности создаются антеннами, питаемыми балансно-модулированными колебаниями. При этом диаграммы имеют нулевой уровень излучения боковых частот сигнала по направлению заданного курса (в спектре балансно-модулированного сигнала отсутствует составляющая несущего сигнала). Центральная слабонаправленная антенна излучает дважды модулированный сигнал опорной фазы.

Бортовой приемник после детектирования несущей частоты сигнала разделяет фильтрами сигналы опорной фазы (10000 Гц) и переменной фазы (60 Гц). Затем сигнал поднесущей частоты детектируется частотным детектором и информативный сигнал частотой 60 Гц, вместе с опорным сигналом, поступает на фазовый детектор. Выходной сигнал, изменяющийся по уровню и знаку, подается на стрелочный прибор.

Глиссадный радиомаяк создает по направлению снижения равносигнальное излучение, характеризующееся одинаковым уровнем модулирующих сигналов различных частот. Равносигнальное направление создается двумя антеннами, имеющими пересекающиеся диаграммы направленности; обе антенны излучают сигналы одновременно (см. рис. 2б). Частота модуляции сигнала излучаемого по верхнему лепестку равна 90 Гц, по нижнему 150 Гц.

Бортовой глиссадный приемник после амплитудного детектирования несущего сигнала разделяет фильтрами модулирующие сигналы и после второго детектирования подает их на стрелочный индикатор с центральным нулевым положением стрелки.

Маркерные радиомаяки создают направленное излучение, перпендикулярное земной поверхности. Несущая частота всех маяков равна 75 МГц. Для лучшей помехозащищенности сигналы маяков модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом частотой 1300 Гц и 400 Гц. С целью опознавания дальнего и ближнего маяков их сигналы манипулируются с различными пе-

9

справа от курса по направлению захода на посадку и 90 Гц слава. Применена амплитудная модуляция несущей.

Глиссадный радиомаяк имеет такой же принцип создания радиозоны, как и курсовой. По верхнему лепестку диаграммы направленности излучается амплитудно-модулированный сигнал с частотой 80 Гц, по нижнему - 150 Гц. Полная диаграмма направленности антенного устройства из-за влияния отражений от земной поверхности имеет многолепестковый характер. Направление глиссады совпадает с равносигнальным направлением по двум нижним лепесткам.

Маркерные радиомаяки работают на несущей частоте 75 МГц. Диаграммы направленности антенн и структурные схемы маяков подобны маякам системы СП-50. Несущие частоты маяков модулируются сигналами звуковых частот в следующем порядке: дальний маяк - 400 Гц, средний - 1300 Гц, ближний - 3000 Гц. Кроме этого сигналы маяков манипулируются следующим образом: дальний маяк - непрерывная последовательность тире, средний - непрерывная последовательность чередующихся точек и тире, ближний - непрерывная последовательность точек (тире передается два раза в секунду, точка - шесть раз).

Приемные устройства курсового и глиссадного канала построены по одинаковым схемам и содержат вибраторную антенну, супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты, амплитудный детектор, разделительные фильтры на 150 и 90 Гц и схему сравнения с выходом на гальванометр с центральным нулевым положением стрелки. Маркерный радиоприемник также собран по супергетеродинной схеме. После демодуляции сигнал разделяется тремя полосовыми низкочастотными фильтрами и подается на различные сигнальные лампочки, общий звонок и головные телефоны.

2.3 Система "Катет"

Система использует принцип задания направления движения путем формирования двух пересекающихся диаграмм излучения, отличающихся частотами модулирующих сигналов. Излучаемые сигналы модулируются по амплитуде напряжением прямоугольной формы (манипулируются) частотой 1300 и 2100 Гц. Структурные схемы каналов курса и глиссады аналогичны, отличаются только диаграммы направленности антенн и несущие частоты. В отличие от систем посадки СП-50 и ILS здесь применено не одновременное излучение двух сигналов, а поочередное излучение через одну и другую антенну с частотой коммутации 12,5 Гц. Несущая частота излучаемых сигналов лежит в диапазоне дециметровых волн.

Система предназначена для работы в составе радиосистемы навигации типа РСБН и содержит только курсовой и глиссадный каналы; дополнительно в состав системы входит ответчик самолетного дальномерного канала системы РСБН.

10

Курсовой маяк работает на частотах азимутального канала системы РСБН, глиссадный маяк - на частотах дальномерного канала.

В качестве приемника сигналов курсового и глиссадного радиомаяков используются приемники азимутального и дальномерного каналов, соответственно, системы ближней навигации РСБН; приемники выдают различную информацию в режимах работы "Посадка", "Азимут" и др. Принцип выделения сигналов рассогласования по курсу и глиссаде аналогичен принципу, заложенному в системе ILS.

3 ИМИТАТОРЫ РАДИОМАЯКОВ

3.1 Имитатор маркерного маяка системы СП-50

Имитатор предназначен для проверки маркерного приемника, установленного на самолете. В состав имитатора входят:

1) перестраиваемый диапазонный автогенератор f = 70÷80 МГц;

Излучаемый имитатором высокочастотный сигнал модулирован по амплитуде напряжением частоты 3000 Гц.

Антенна имитатора может подключаться к кварцевому генератору или к диапазонному генератору. При работе от диапазонного генератора сигнал может излучаться непрерывно (переключатель рода работ в положении НЕПР.) или прерывисто (переключатель в положении ТЧК).

3.2 Имитатор глиссадного маяка системы СП-50

Имитатор глиссадного радиомаяка предназначен для проверки глиссадного радиоприемника, установленного на самолете. Он излучает высокочастотный сигнал, имитирующий сигнал глиссадного радиомаяка, и состоит из:

1)генератора высокой частоты с тремя фиксированными частотами;

2)генератора модулирующей частоты 90 Гц;

3)генератора модулирующей частоты 150 Гц;

4)смесителя модулирующих частот.

Напряжения частот 90 и 150 Гц подаются на сумматор модуляционных частот. Напряжение, снимаемое с выхода сумматора, подается на генератор высокой частоты, модулируя высокую частоту по амплитуде. Проверка самолетной аппаратуры может производиться путем приема сигналов от имитатора, установленного на расстоянии 10 - 15 м от самолета, или путем непосредственного подключения входа приемника соединительным кабелем.

В качестве передающей антенны применен четвертьволновой вертикальный вибратор.